典型全控型电力电子器件

注 教案首页 教案用纸由学校另行准备 湖南省劳动厅编制 湖 南 省 技 工 学 校 理理 论论 教教 学学 教教 案案 教师姓名教师姓名 日期日期 学学 科科 变频 调速 星期星期 班级班级 检查检查 签字签字 执 行 记 录 节次节次 课题课题典型全控型电力电子器件 课课 的的 类类 型型 复习 教教 学学 目目 的的 掌握门极可关断晶闸管的工作原理及特性 电力晶体管的工作原理 了解电力场控 晶体管的特性与参数及安全工作区 掌握电力场控晶体管的工作原理 掌握绝缘栅双极 型晶体管的工作原理 参数特点 了解静电感应晶体管静电感应晶闸管的工作原理 教教 学学 重重 点点 电力晶体管 力场控晶体管 绝缘栅双极型晶体管的工作原理 参数特点 教教 学学 难难 点点 电力晶体管 力场控晶体管 绝缘栅双极型晶体管的工作原理 参数特点 主要主要 教学教学 方法方法 借助 PPT 演示 板书等多种形式启发式教学 教教 具具 挂挂 图图 无 1 组织教学时间 组织教学时间23 讲授新课时间 讲授新课时间70 2 复习导入时间 复习导入时间84 归纳小结时间 归纳小结时间5 教学教学 环节环节 时间时间 分配分配 5 作业布置时间 作业布置时间5 教教 学学 后后 记记 益阳高级技工学校 复习导入复习导入 门极可关断晶闸管 在晶闸管问世后不久出现 全控型电力电子器件的典型代表 门极可关断晶闸管 电 力晶体管 电力场效应晶体 管 绝缘栅双极晶体管 讲授新课讲授新课 一 门极可关断晶闸管一 门极可关断晶闸管 晶闸管的一种派生器件 可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断 GTO 的电压 电流容量较大 与普通晶闸管接近 因而在兆瓦级以 上的大功率场合仍 有较多的应用 1 GTO 的结构和工作原理 与普通晶闸管的相同点 PNPN 四层半导体结构 外部引出阳极 阴极 和门极 和普通晶闸管的不同点 GTO 是一种多元的功率集成器件 工作原理 与普通晶闸管一样 可以用图所示的双晶体管模型来分析 由 P1N1P2 和 N1P2N2 构成的两个晶体管 V1 V2 分别具有共基极电 流增益 1 和 2 1 2 1 是器件临界导通的条件 GTO 的关断过程与普通晶闸管不同 关断时 给门极加负脉冲 产生门 极电流 IG 此电流使得 V1 管的集电极电流ICl 被分流 V2 管的基极电流 IB2 减小 从而使IC2 和IK 减小 IC2 的减小进一步引起IA 和IC1 减小 又进一步使 V2 的基极电流减小 形成内部强烈的正反馈 最终导致 GTO 阳 极电流减小到维持电流以下 GTO 由通态转入断态 结论 GTO 导通过程与普通晶闸管一样 只是导通时饱和程度较浅 GTO 关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断 多元集成结构还使 GTO 比普通晶闸管开通过程快 承受 di dt能力 益阳高级技工学校 强 2 GTO 的动态特性 开通过程 与普通晶闸管相同 关断过程 与普通晶闸管有所不同 3 GTO 的主要参数 1 开通时间ton 2 关断时间toff 3 最大可关断阳极电流IATO 4 电流关断增益 off 最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM 之比称为电流关断 增益 off 一般很小 只有 5 左右 这是 GTO 的一个主要缺点 1000A 的 GTO 关断时门极负脉冲电流峰值要 200A 二 电力晶体管电力晶体管 1 GTR 的结构和工作原理 与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的 主要特性是耐压高 电 流大 开关特性好 通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构 采用集成电路 工艺将许多这种单元并联而成 在应用中 GTR 一般采用共发射极接法 集电极电流ic 与基极电流ib 之比为 GTR 的电流放大系数 反映了基极电流 对集电极电流的控制能力 当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo 时 ic 和ib 的关系为 ic ib Iceo 单管 GTR 的 值比小功率的晶体管小得多 通常为 10 左右 采用 达林顿接法可有 效增大电流增益 2 GTR 的基本特性 1 静态特性 共发射极接法时的典型输出特性 截止区 放大区和饱和区 在电力电子电路中 GTR 工作在开关状态 在开关过程中 即在截止区和饱和区之间过渡时 要经过放大区 2 动态特性 3 GTR 的主要参数 1 电流放大倍数 集电极电流与基极电流之比 2 集电极最大允许电流ICM 通常规定为 下降到规定值的 1 2 1 3 时所对应的Ic 3 集电极最大耗散功率PCM 益阳高级技工学校 在最高集电结温度下允许的耗散功率 等于集电极工作电压与集电极工 作电流的乘积 4 反向击穿电压 集电极与基极之间的反向击穿电压 集电极与发射极之间的反向击穿电压 击穿电压不仅和晶体管本身特性有关 还与外电路接法有关 5 GTR 的二次击穿现象与安全工作区 一次击穿 集电极电压升高至击穿电压时 Ic 迅速增大 只要Ic 不超 过限度 GTR 一般不会损坏 工作特性也不变 二次击穿 一次击穿发生时 Ic 突然急剧上升 电压陡然下降 常常 立即导致器件的永久损坏 或者工作特性明显衰变 安全工作区 最高电压UceM 集电极最大电流IcM 最大耗散功率 PcM 二次击穿临界线限定 三 电力场效应晶体管三 电力场效应晶体管 特点 用栅极电压来控制漏极电流 驱动电路简单 需要的驱动功 率小 开关速度快 工作频率高 热稳定性优于 GTR 电流容量小 耐压低 只适用于小功率的电力电子装置 1 电力 MOSFET 的结构和工作原理 电力 MOSFET 的种类 按导电沟道可分为 P 沟道和 N 沟道 耗尽型 当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道 增强型 对于 N P 沟道器件 栅极电压大于 小于 零时才存在 导电沟道 电力 MOSFET 的工作原理 截止 漏源极间加正电源 栅源极间电压为零 P 基区与 N 漂移区之间形成的 PN 结 J1 反偏 漏源极之间无电流流过 导电 在栅源极间加正电压UGS 当UGS 大于UT 时 P 型半导体反型成 N 型而成为反型层 该反型层形成 N 沟道而使 PN 结 J1 消失 漏极和源极导电 2 电力 MOSFET 的基本特性 1 静态特性 漏极电流ID 和栅源间电压UGS 的关系称为 MOSFET 的转移特性 ID 较大 时 ID 与UGS 的关系近似线性 曲线的斜率定义为跨导Gfs 2 动态特性 MOSFET 的开关速度 MOSFET 的开关速度和Cin 充放电有很大关系 可降低驱动电路内阻Rs 减小时间常数 加快开关速度 不存在少子储存效应 关断过程非常迅速 开关时间在 10 100ns 之间 工作频率可达 100kHz 以上 是主要电力电子 器件中最高的 场控器件 静态时几乎不需输入电流 但在开关过程中需 益阳高级技工学校 对输入电容充放电 仍需一定的驱动功率 开关频率越高 所需要的驱动 功率越大 3 电力 MOSFET 的主要参数 1 漏极电压UDS 2 漏极直流电流ID 和漏极脉冲电流幅值IDM 3 栅源电压UGS 4 极间电容 四 绝缘栅双极晶体管四 绝缘栅双极晶体管 GTR 和 GTO 的特点 双极型 电流驱动 有电导调制效应 通流能 力很强 开关速度较低 所需驱动功率大 驱动电路复杂 MOSFET 的优点 单极型 电压驱动 开关速度快 输入阻抗高 热 稳定性好 所需驱动功率小而且驱动电路简单 1 IGBT 的结构和工作原理 驱动原理与电力 MOSFET 基本相同 场控器件 通断由栅射极电压uGE 决定 导通 uGE 大于开启电压UGE th 时 MOSFET 内形成沟道 为晶体管提 供基极电流 IGBT 导通 通态压降 电导调制效应使电阻 RN 减小 使通态 压降减小 关断 栅射极间施加反压或不加信号时 MOSFET 内的沟道消失 晶体 管的基极电流被切断 IGBT 关断 2 IGBT 的基本特性 1 IGBT 的静态特性 2 IGBT 的动态特性 3 IGBT 的主要参数 1 最大集射极间电压UCES 2 最大集电极电流 3 最大集电极功耗PCM IGBT 的特性和参数特点可以总结如下 开关速度高 开关损耗小 相同电压和电流定额时 安全工作区比 GTR 大 且具有耐脉冲电流冲击能力 通态压降比 VDMOSFET 低 输入阻抗高 输入特性与 MOSFET 类似 与 MOSFET 和 GTR 相比 耐压和通流能力还可以进一步提高 同时保持开关 频率高的特点 五 其他新型电力电子器件五 其他新型电力电子器件 1 MOS 控制晶闸管 MCT 承受极高di dt和du dt 快速的开关过程 开关损耗小 高电压 大电流 高载流密度 低导通压降 一个 MCT 器件由数以万计的 MCT 元组成 每个元的组成为 一个 PNPN 晶闸管 一个控制该晶闸管开通的 MOSFET 和一个控制该晶闸管关断的 益阳高级技工学校 MOSFET 其关键技术问题没有大的突破 电压和电流容量都远未达到预期的数 值 未能投入实际应用 2 静电感应晶体管 SIT 多子导电的器件 工作频率与电力 MOSFET 相当 甚至更高 功率 容量更大 因而适用于高频大功率场合 在雷达通信设备 超声波功率放大 脉冲功率放大和高频感应加热 等领域获得应用 缺点 栅极不加信号时导通 加负偏压时关断 称为正常导通型器 件 使用不太方便 通态电阻较大 通态损耗也大 因而还未在大 多数电力电子设备中得到广泛应用 静电感应晶闸管 SITHSITH 是两种载流子导电的双极型器件 具有电导调制 效应 通态压降低 通流能力强 其很多特性与 GTO 类似 但开关速度比 GTO 高得多 是大容量的快速器件 SITH 一般也是正常导通型 但也有正 常关断型 此外 电流关断增益较小 因而其应用范围还有待拓展 3 集成门极换流晶闸管 IGCT 4 功率模块与功率集成电路 20 世纪 80 年代中后期开始 模块化趋势 将多个器件封装在一个 模块中 称为功率模块 将器件与逻辑 控制 保护 传感 自诊 断等信息电子电路制作在同一芯片上 称为功率集成电路 发展现